電磁驅動永磁自復位式激光切割頭的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種電磁驅動永磁自復位式激光切割頭，本申請將手動調節激光焦點的焦點控制單元，換成由差動電磁鐵控制的、電渦流位移傳感器檢測位置的控制裝置。本發明為能夠使聚焦透鏡在水平面上自由移動的電磁驅動永磁自復位式切割頭。在技術研究和實際應用中，具有很大的發展前景。
【專利說明】電磁驅動永磁自復位式激光切割頭
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電磁驅動永磁自復位式激光切割頭，其實現了用電磁鐵來控制自復位永磁彈簧單元與聚焦透鏡控制外框架的間距，進而來調整聚焦透鏡的位置，實現了激光切割頭中的激光束與輔助氣體的不同軸控制，屬于機電一體化【技術領域】。
【背景技術】
[0002]激光切割加工技術是利用經聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，從而實現將工件割開。由于激光切割加工有光點小，能量集中，熱影響區小，不接觸加工工件，對工件無污染，與電子束加工相比應用更方便，激光束易于聚焦、導向，便于自動化控制等優點，并廣泛運用到各個行業。據了解在相對于激光束加工過程中隨時調整吹風的方向可提高加工效率并且可以防止工件的殘渣堵塞吹風口，但是由于傳統的激光切割頭不能隨意的控制聚焦鏡片自由移動，并且激光切割頭的吹風方向也不能隨意調整，使得激光切割機在工作中的加工效率相對較低。
[0003]激光切割行走軌跡多為復雜形狀，而激光束焦點的位置主要依靠聚焦透鏡來調整。如果用傳統的液壓傳動控制系統等機械控制系統調整聚焦透鏡的位置，會使激光頭的體積增大，重量增加，激光切割頭在移動過程中慣性大，移動速度緩慢，精確度較低。
【發明內容】
[0004]發明目的:本發明提供一種電磁驅動永磁自復位式激光切割頭，其目的是解決傳統激光切割頭中聚焦透鏡不能自由移動的問題。
[0005]技術方案:本發明是通過以下技術方案來實現的:
一種電磁驅動永磁自復位式激光切割頭，其特征在于:該切割頭包括輔助氣體接頭、上頂蓋、焦點控制單元、中間箱體、下底座箱體和含軸向傳感器的輔助氣體噴嘴；焦點控制單元包括上焦點控制單元與下焦點控制單元，上焦點控制單元與下焦點控制單元結構相同，上焦點控制單元與下焦點控制單元的中間為中間箱體，上頂蓋設置在上焦點控制單元上，下底座箱體設置在下焦點控制單元下，輔助氣體接頭設置在上頂蓋上，輔助氣體噴嘴設置在下底座箱體下；供激光穿過的孔貫穿整個切割頭；焦點控制單元包括條形坡莫合金塊、柱形永磁鐵、電渦流傳感器、聚焦透鏡架、電磁鐵、聚焦透鏡和聚焦透鏡控制外框架；電磁鐵由E型鐵芯和鐵心固定座構成；聚焦透鏡架設置在聚焦透鏡控制外框架內，電磁鐵分布于聚焦透鏡控制外框架的內邊緣，條形坡莫合金塊設置在聚焦透鏡架的四周與電磁鐵位置對應，條形坡莫合金塊與電磁鐵留有供聚焦透鏡架移動的縫隙，電渦流傳感器設置在電磁鐵旁邊，聚焦透鏡設置在聚焦透鏡架內。
[0006]聚焦透鏡架與上頂蓋之間、聚焦透鏡架與下底座箱體之間均設置有環形永磁鐵、定位銷、柱形永磁鐵和平面球軸承；環形永磁鐵與平面球軸承相互交錯均勻的布置在固定聚焦透鏡的孔的圓周四周，柱形永磁鐵插入環形永磁鐵的圓內，每個環形永磁體和柱形永磁鐵在軸向方向上同心且同級相對，軸向方向上表現為吸引力，水平任意方向為斥力，平面球軸承支撐在上頂蓋與聚焦透鏡架之間以及下底座箱體與聚焦透鏡架之間，使上頂蓋和下底座箱體均與聚焦透鏡架間形成一定氣隙，構成3自由度永磁彈簧結構。
[0007]環形永磁鐵與平面球軸承各為三個，沿固定聚焦透鏡的孔的圓周交替均勻布置，多個環形永磁鐵與平面球軸承的圓心連線形成圓，而在這個圓上，環形永磁鐵與平面球軸承交替設置，相鄰的兩個環形永磁鐵與平面球軸承之間夾角相同。
[0008]在聚焦透鏡架邊緣安有六個條形坡莫合金塊，其中四個條形坡莫合金塊均布在聚焦透鏡架的兩邊，剩下兩個條形坡莫合金塊對稱布置在聚焦透鏡架的另外兩邊，處在兩個對邊的條形坡莫合金塊兩兩對應，每個條形坡莫合金塊對應一個電磁鐵形成一個電磁鐵組，每兩個相對的電磁鐵組形成一組差動控制電磁鐵組，每組差動控制電磁鐵組旁邊對應設置一個電渦流傳感器。
[0009]優點及效果:本發明提供一種電磁驅動永磁自復位式激光切割頭，本申請將手動調節激光焦點的焦點控制單元，換成由差動電磁鐵控制的、電渦流位移傳感器檢測位置的控制裝置。由聚焦透鏡架、聚焦透鏡控制外框架、平面球軸承、電磁鐵(含E型鐵芯和鐵心固定座)、聚焦透鏡、條形坡莫合金塊、環形永磁鐵和柱形永磁鐵構成，其中3個同極性的環形永磁鐵和3個平面球軸承穿插對稱固定在對應箱體底板凹槽中，3個柱形永磁鐵固定在聚焦透鏡架的凹槽中，與對應箱體底板中環形永磁鐵同心且同級相對布置。在豎直方向上環形永磁鐵和柱形永磁體表現為吸引力，水平任意方向表現為斥力，平面球軸承支撐在對應箱體底板與聚焦透鏡架間，使箱體底板與聚焦透鏡架形成一定氣隙，構成軸向自復位永磁彈簧單元。電磁控制裝置由電磁鐵(含E型鐵芯和鐵芯固定座)，控制器和功率放大器構成，其中電磁鐵固定在鐵芯固定座上，控制器發出信號，功率放大器接受信號向電磁鐵供電。聚焦透鏡架邊緣安裝有6個條形坡莫合金塊；在一條直線上的2個條形坡莫合金塊與2個有電磁鐵和一個電潤流位移傳感器構成一組，構成一組差動控制單兀。
[0010]在電磁控制裝置中，總共有6個電磁鐵，其中4個電磁鐵中以2個為一組安裝在兩個對立面中，另2個電磁鐵安裝在側面的兩個對立面上。這樣就構成了 3組差動控制電磁鐵組，用三組電磁鐵組控制聚焦透鏡架中間的聚光透鏡在直徑方向平面方向上平動和轉動，與聚焦透鏡架邊緣相對的電渦流傳感器檢測移動位置，與差動電磁鐵構成閉環控制
本發明為能夠使聚焦透鏡在水平面上自由移動的電磁驅動永磁自復位式切割頭。該裝置將永磁彈簧與電磁鐵差動控制結合起來，實現了聚焦透鏡在水平面上的自由移動，使得光軸相對于輔助氣體噴嘴軸線靈活調整，并且激光焦點移動平穩可靠，速度高，無污染，在電磁鐵斷電的情況下焦點可以自動回復中心，為激光焦點控制帶來方便。在技術研究和實際應用中，具有很大的發展前景。
[0011]【專利附圖】
【附圖說明】:
圖1是本發明專利的3維結構圖。
[0012]圖2是切割頭爆炸展開圖。
[0013]圖3是本發明專利的聚焦透鏡控制單元結構圖。
[0014]圖1中的I為輔助氣體接頭,2為上頂蓋,3為焦點控制單元,4為中間箱體,5為焦點控制單元，6為下底座箱體，7為輔助氣體噴嘴(含軸向傳感器)。
[0015]圖2中的8為環形永磁鐵，9為定位銷，10為條形坡莫合金塊，11為柱形永磁鐵，12為平面球軸承。
[0016]圖3中13為電渦流傳感器，14為聚焦透鏡架，15為電磁鐵(含E型鐵芯和鐵心固定座)，16為聚焦透鏡，17為聚焦透鏡控制外框架。
[0017]【具體實施方式】:下面結合附圖對本發明做進一步的說明:
如圖1所示，本發明提供一種電磁驅動永磁自復位式激光切割頭，該切割頭包括輔助氣體接頭1、上頂蓋2、焦點控制單元、中間箱體4、下底座箱體6和含軸向傳感器的輔助氣體噴嘴7 ;焦點控制單元包括上焦點控制單元3與下焦點控制單元5，上焦點控制單元3與下焦點控制單元5結構相同,上焦點控制單元3與下焦點控制單元5的中間為中間箱體4,上頂蓋2設置在上焦點控制單元3上，下底座箱體6設置在下焦點控制單元5下，輔助氣體接頭I設置在上頂蓋2上，輔助氣體噴嘴7設置在下底座箱體6下；供激光穿過的孔貫穿整個切割頭；焦點控制單元包括條形坡莫合金塊10、柱形永磁鐵11、電渦流傳感器13、聚焦透鏡架14、電磁鐵15、聚焦透鏡16和聚焦透鏡控制外框架17 ；電磁鐵15由E型鐵芯和鐵心固定座構成；聚焦透鏡架14設置在聚焦透鏡控制外框架17內，電磁鐵15分布于聚焦透鏡控制外框架17的內邊緣，條形坡莫合金塊10設置在聚焦透鏡架14的四周與電磁鐵15位置對應，條形坡莫合金塊10與電磁鐵15留有供聚焦透鏡架14移動的縫隙，電渦流傳感器13設置在電磁鐵15旁邊，聚焦透鏡16設置在聚焦透鏡架14內。
[0018]聚焦透鏡架14與上頂蓋2之間、聚焦透鏡架14與下底座箱體6之間均設置有環形永磁鐵8、定位銷9、柱形永磁鐵11和平面球軸承12 ;環形永磁鐵8與平面球軸承12相互交錯均勻的布置在固定聚焦透鏡的孔的圓周四周，也就是說環形永磁鐵8與平面球軸承12的圓心連線形成圓,環形永磁鐵8與平面球軸承12在這個圓上交替布置,相鄰的環形永磁鐵8與平面球軸承12之間的夾角相等，柱形永磁鐵11插入環形永磁鐵8的圓內，每個環形永磁體和柱形永磁鐵在軸向方向上同心且同級相對，軸向方向上表現為吸引力，水平任意方向為斥力，平面球軸承支撐在對應箱體底板與聚焦透鏡架間，使對應的箱體底板與聚焦透鏡架間形成一定氣隙，構成3自由度永磁彈簧結構，這樣下底板與聚焦透鏡架在豎直方向上形成一定剛度，不能自由移動，在水平方向上實現了不通電情況下聚焦透鏡自動回復中心。
[0019]環形永磁鐵8與平面球軸承12各為三個，沿固定聚焦透鏡的孔的圓周交替布置，多個環形永磁鐵8與平面球軸承12的圓心連線形成圓，而在這個圓上,環形永磁鐵8與平面球軸承12交替設置，相鄰的兩個環形永磁鐵8與平面球軸承12之間夾角相同。
[0020]在聚焦透鏡架邊緣安有六個條形坡莫合金塊10，其中四個條形坡莫合金塊10均布在聚焦透鏡架14的兩邊，兩個條形坡莫合金塊10對稱布置在聚焦透鏡架14的另外兩邊，處在兩個對邊的條形坡莫合金塊10兩兩對應，每個條形坡莫合金塊10對應一個電磁鐵15形成一個電磁鐵組，每兩個相對的電磁鐵組形成一組差動控制電磁鐵組，每組差動控制電磁鐵組旁邊對應設置一個電渦流傳感器13。
[0021]每個焦點控制單元由三組差動控制電磁鐵組構成。兩個焦點控制單元的結構相同。
[0022]每個焦點控制單元中六個電磁鐵固定在聚焦透鏡控制外框架上，且兩個為一組的電磁鐵對聚焦透鏡實現在水平方向上差動控制，三組差動控制電磁鐵組實現激光焦點在平面內穩定移動和旋轉。電渦流傳感器對聚焦透鏡架位置進行檢測。上焦點控制單元3和下焦點控制單元5結構相同，安裝不同焦距的透鏡，實際工作中根據切割材料的不同選擇其中一組焦點控制單元工作。
[0023]以下結合【專利附圖】
【附圖說明】本發明的【具體實施方式】，以便更好的理解本發明，而不是對本發明的限定。
[0024]附圖所示，其中輔助氣體接頭1、上頂蓋2、中間箱體4、下底座箱體6、和輔助氣體噴嘴7為此裝置的主體構成并且提前按照要求安裝好。再安裝之間的焦點控制單元3、5。在一條直線上的兩個條形坡莫合金塊與兩個有電磁鐵，一個電渦流傳感器構成一組差動控制單元。每組差動控制單元可以實現該方向上的I自由度移動。總共有六個電磁鐵，其中四個電磁鐵中以兩個為一組安裝在兩個對立面中，另兩個電磁鐵安裝在側面的兩個對立面上。這樣就構成了三組差動控制電磁鐵組，整個控制裝置由三組控制單元構成，如圖3所示布置則可實現平面3自由度移動。
[0025]本發明使用時，用控制器控制功率放大器向電磁鐵輸送電流，并且用電渦流傳感器13對聚焦透鏡架的水平位置進行測量，以此來達到電磁鐵對聚焦透鏡焦點的控制。
【權利要求】
1.一種電磁驅動永磁自復位式激光切割頭，其特征在于:該切割頭包括輔助氣體接頭(I)、上頂蓋(2)、焦點控制單元、中間箱體(4)、下底座箱體(6)和含軸向傳感器的輔助氣體噴嘴(7);焦點控制單元包括上焦點控制單元(3)與下焦點控制單元(5),上焦點控制單元(3)與下焦點控制單元(5)結構相同，上焦點控制單元(3)與下焦點控制單元(5)的中間為中間箱體(4)，上頂蓋(2)設置在上焦點控制單元(3)上，下底座箱體(6)設置在下焦點控制單元(5)下，輔助氣體接頭(I)設置在上頂蓋(2)上，輔助氣體噴嘴(7)設置在下底座箱體(6)下；供激光穿過的孔貫穿整個切割頭；焦點控制單元包括條形坡莫合金塊(10)、柱形永磁鐵(11)、電渦流傳感器(13)、聚焦透鏡架(14)、電磁鐵(15)、聚焦透鏡(16)和聚焦透鏡控制外框架(17);電磁鐵(15)由E型鐵芯和鐵心固定座構成；聚焦透鏡架(14)設置在聚焦透鏡控制外框架(17)內，電磁鐵(15)分布于聚焦透鏡控制外框架(17)的內邊緣，條形坡莫合金塊(10)設置在聚焦透鏡架(14)的四周與電磁鐵(15)位置對應，條形坡莫合金塊(10)與電磁鐵(15)留有供聚焦透鏡架(14)移動的縫隙，電渦流傳感器(13)設置在電磁鐵(15)旁邊，聚焦透鏡(16)設置在聚焦透鏡架(14)內。
2.根據權利要求1所述的電磁驅動永磁自復位式激光切割頭，其特征在于:聚焦透鏡架(14)與上頂蓋(2)之間、聚焦透鏡架(14)與下底座箱體(6)之間均設置有環形永磁鐵(8)、定位銷(9)、柱形永磁鐵(11)和平面球軸承(12);環形永磁鐵(8)與平面球軸承(12)相互交錯均勻的布置在固定聚焦透鏡的孔的圓周四周，柱形永磁鐵(11)插入環形永磁鐵(8)的圓內，每個環形永磁體和柱形永磁鐵在軸向方向上同心且同級相對，軸向方向上表現為吸引力，水平任意方向為斥力，平面球軸承支撐在上頂蓋(2)與聚焦透鏡架之間以及下底座箱體(6)與聚焦透鏡架之間，使上頂蓋(2)和下底座箱體(6)均與聚焦透鏡架間形成一定氣隙，構成3自由度永磁彈簧結構。
3.根據權利要求1所述的電磁驅動永磁自復位式激光切割頭，其特征在于:環形永磁鐵(8)與平面球軸承(12)各為三個，沿固定聚焦透鏡的孔的圓周交替均勻布置，多個環形永磁鐵(8)與平面球軸承(12)的圓心連線形成圓，而在這個圓上,環形永磁鐵(8)與平面球軸承(12)交替設置，相鄰的兩個環形永磁鐵(8)與平面球軸承(12)之間夾角相同。
4.根據權利要求1所述的電磁驅動永磁自復位式激光切割頭，其特征在于:在聚焦透鏡架邊緣安有六個條形坡莫合金塊(10)，其中四個條形坡莫合金塊(10)均布在聚焦透鏡架(14)的兩邊，剩下兩個條形坡莫合金塊(10)對稱布置在聚焦透鏡架(14)的另外兩邊，處在兩個對邊的條形坡莫合金塊(10)兩兩對應，每個條形坡莫合金塊(10)對應一個電磁鐵(15)形成一個電磁鐵組，每兩個相對的電磁鐵組形成一組差動控制電磁鐵組，每組差動控制電磁鐵組旁邊對應設置一個電渦流傳感器(13)。
【文檔編號】B23K26/38GK104227244SQ201410474038
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月17日 優先權日:2014年9月17日
【發明者】孫鳳, 張明, 金俊杰, 周雪, 董小微 申請人:沈陽工業大學